Ramirez Florez, Sebastian (2026) Structural Evolution and Induced Seismicity in the Groningen Gas Field, the Netherlands. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF Thesis Sebastian Ramirez Florez.pdf - Accepted Version Restricted to Repository staff only until 16 September 2026. Available under License Creative Commons Attribution. Download (3MB)

Arabic Abstract

أصبحت الزلازل المستحثة في حقل غرونينغن للغاز أحد أهم الأمثلة العالمية على الاستجابة الزلزالية المرتبطة بإنتاج الهيدروكربونات على المدى الطويل. ورغم أن العلاقة العامة بين استنزاف المكامن وإعادة تنشيط الصدوع راسخة، إلا أن توقيت الزلازل وتوزيعها المكاني يظلان شديدي التباين في جميع أنحاء الحقل، مما يشير إلى أن الإنتاج وحده لا يفسر السلوك المرصود تفسيراً كاملاً. تبحث هذه الأطروحة في الزلازل المستحثة في غرونينغن من خلال منهجين متكاملين: تحليل إحصائي متعدد المقاييس للعلاقة بين الإنتاج والزلازل، وتحليل بنيوي لبنية الصدوع المحيطة بآبار الإنتاج. يقيّم الجزء الأول من البحث العلاقة الإحصائية بين الإنتاج السنوي للغاز والزلازل المستحثة على مستوى الحقل ككل وعلى مستوى الآبار. وقد تم تحليل بيانات الإنتاج من NLOG وبيانات الزلازل من فهرس KNMI باستخدام معاملات ارتباط بيرسون وسبيرمان، بما في ذلك المقارنات المتأخرة لاختبار الاستجابة الزلزالية المتأخرة. تُظهر النتائج أن العلاقة بين الإنتاج والنشاط الزلزالي في جرونينجن تعتمد بشكل كبير على الزمن وتتسم بتفاوت مكاني. فعلى مستوى الحقل، تكون الارتباطات في نفس السنة ضعيفة، بينما تظهر ارتباطات أقوى عندما يسبق الإنتاج النشاط الزلزالي بحوالي 3-4 سنوات، مما يشير إلى استجابة متأخرة للاستنزاف. أما على المستوى المحلي، فتُظهر الآبار سلوكيات متباينة، تشمل استجابات زلزالية فورية، ومتأخرة، وضعيفة، ونادرة. يبحث الجزء الثاني من البحث فيما إذا كان بالإمكان تفسير هذه الأنماط الإحصائية المتباينة باختلافات في بنية الصدوع المحلية. وباستخدام إطار عمل ثنائي الأبعاد للصدوع مُستمد من النموذج الثابت لجرونينجن، تم تحليل شبكات الصدوع حول الآبار ضمن نطاق 5 كيلومترات باستخدام أساليب طوبولوجية وهندسية مُتكاملة. وقد حدد التحليل الطوبولوجي الترابط وكثافة التصدع من خلال علاقات العقد والفروع، بينما قيّم التحليل الهندسي كثافة الصدوع وعدم محاذاتها. تُظهر النتائج أن الآبار ذات الاستجابة الزلزالية الفورية ترتبط عمومًا بأنظمة صدعية أكثر كثافة وترابطًا وتوافقًا نسبيًا، بينما تتميز الآبار ذات الاستجابة المتأخرة بشبكات أقل كثافة وأقل ترابطًا وأقل توافقًا. ولا تُشير الآبار ذات النشاط الزلزالي الضعيف أو المعدوم إلى أنظمة منفصلة، مما يدل على أن الترابط وحده لا يكفي لتفسير السلوك الزلزالي. بشكل عام، تُبين هذه الأطروحة أن النشاط الزلزالي المُستحث في جرونينجن يخضع لتأثير التفاعل بين تغيرات الإجهاد الناتجة عن الاستنزاف وبنية الصدوع المحلية. وتُظهر النتائج أن جرونينجن لا تتصرف كنظام جيوميكانيكي متجانس، بل كخزان غير متجانس بنيويًا، حيث يختلف توقيت وقوة الاستجابة الزلزالية وفقًا لخصائص شبكة الصدوع المحلية. من خلال دمج التحليل الإحصائي للإنتاج الزلزالي مع التوصيف الهيكلي، يوفر هذا العمل إطارًا أكثر اكتمالًا لفهم الزلازل المستحثة في حقول الغاز الناضجة ويسلط الضوء على أهمية دمج هندسة الصدع وطوبولوجيا الصدع في تقييم المخاطر الزلزالية وإدارة الخزانات واتخاذ القرارات المستقبلية المتعلقة بالباطن.

English Abstract

Induced seismicity in the Groningen gas field has become one of the most important examples worldwide of seismic response associated with long-term hydrocarbon production. Although the general relationship between reservoir depletion and fault reactivation is well established, the timing and spatial distribution of seismicity remain highly variable across the field, indicating that production alone does not fully explain the observed behavior. This thesis investigates induced seismicity in Groningen through two complementary approaches: a multi-scale statistical analysis of the production–seismicity relationship, and a structural analysis of the fault architecture surrounding the producing wells. The first part of the research evaluates the statistical relationship between annual gas production and induced seismicity at both field-wide and well-centered scales. Production data from NLOG and earthquake data from the KNMI catalogue were analyzed using Pearson and Spearman correlations, including lagged comparisons to test for delayed seismic response. The results show that the production–seismicity coupling in Groningen is strongly time-dependent and spatially heterogeneous. At the field scale, same-year correlations are weak, while stronger correlations emerge when production leads seismicity by approximately 3–4 years, indicating a delayed response to depletion. At the local scale, wells display contrasting behaviors, including immediate, delayed, weak, and absent seismic responses. The second part of the research investigates whether these contrasting statistical patterns can be explained by differences in local fault architecture. Using a 2D fault framework derived from the Groningen static model, the fault networks around the wells were analyzed within 5 km buffers using complementary topological and geometrical methods. The topological analysis quantified connectivity and fracture intensity through node–branch relationships, while the geometrical analysis evaluated fault density and misalignment. The results show that wells with immediate seismic response are generally associated with denser, more connected, and relatively well-aligned fault systems, whereas delayed-response wells are characterized by more misaligned, less dense, and less connected networks. Wells with weak or absent seismicity do not simply correspond to disconnected systems, indicating that connectivity alone is not sufficient to explain the seismic behavior. Overall, this thesis demonstrates that induced seismicity in Groningen is controlled by the interaction between depletion-driven stress changes and local fault architecture. The results show that Groningen does not behave as a single uniform geomechanical system, but as a structurally heterogeneous reservoir in which the timing and strength of seismic response vary according to local fault-network properties. By integrating statistical production–seismicity analysis with structural characterization, this work provides a more complete framework for understanding induced seismicity in mature gas fields and highlights the importance of incorporating fault geometry and topology into seismic hazard assessment, reservoir management, and future subsurface decision making.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Earth Sciences
Department:	College of Petroleum Engineering and Geosciences > Geosciences
Thesis Advisor:	Israa Abu Mahfouz,
Thesis Committee Members:	Umair Waheed,
Depositing User:	SEBASTIAN RAMIREZ FLOREZ
Date Deposited:	17 Aug 2026 10:43
Last Modified:	17 Aug 2026 10:43
URI:	https://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/144709